對絕對時空觀和相對時空觀的探討

安全民

“你和一個漂亮的姑娘在公園的長椅上坐一小時,覺得只過了一分鐘,你緊挨著火爐坐一分鐘,卻覺得過了一小時。這就是相對論。”愛因斯坦在一次回答公眾對相對論的提問時如此說。雖為玩笑,但其中卻包含著相對論最本質(zhì)的東西。在經(jīng)典力學(xué)看來絕對不變的時間間隔,在相對論看來會隨著參照物的選取而不同(就像姑娘,火爐對時間感覺的影響)正是這一點,使相對論的時空觀與經(jīng)典物理的觀點完全不同,經(jīng)典物理的時空是絕對的,而相對論的時空是相對的。

絕對時空觀是愛因斯坦以前的物理學(xué)家所普遍接受并廣泛引用的。其原因在于絕對時空觀是一種直觀的、簡單的、方便的時空觀。他與大多數(shù)人對時空的看法相一致,絕對的時間和空間是與生俱來的,他就是那樣的,人們可以借此繞過對神秘的時空的探討而直接討論問題并得到正確的結(jié)果。

正因如此,伽利略、牛頓等物理學(xué)家都接受了這種思想,并由此將絕對時空觀下的經(jīng)典物理推向了頂峰。

但是,經(jīng)典時空觀畢竟是一種未加驗證的觀點,他更像是“想當(dāng)然”的想法。因此,19世紀(jì)末20世紀(jì)初遇到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)(邁克爾遜——莫雷實驗令人費解的零結(jié)果,以太危機(jī)……),就在絕大多數(shù)物理學(xué)家忙于對經(jīng)典物理進(jìn)行修補(bǔ)時,一位瑞干專利局的三等文員勇敢地提出要想解決物理學(xué)的困難,必須放棄絕對時空觀,代之以其他理論,他把這種理論稱之為“相對論”。這個人就是愛因斯坦。

愛因斯坦用相對論向我們呈現(xiàn)了一幅與以往不同的景象:

時間間隔是相對的,空間間隔是相對的,同時性是相對的……,只有物理定律和真空中的光速是絕對的(在廣義相對論中,光速也是變化的)。愛因斯坦以其大膽的設(shè)想,縝密的思維,使困擾物理學(xué)的難題迎刃而解:以太是不存在的(不需要也不必要)邁克爾遜——莫雷實驗的零結(jié)果恰好驗證了相對論……愛因斯坦用相對論輕而易舉的解決了難題。

下面我們就一起走入相對論給出的時空觀——相對時空觀。

一、狹義相對論的時空觀

狹義相對論建立在慣性參考系下,并依賴于兩個假設(shè):

1.愛因斯坦相對性原理

在不同的慣性參考系中,一切物理規(guī)律都是相同的。

2.光速不變原理

真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的,與光源的運動和觀察者的運動沒有關(guān)系。

從這兩個假設(shè)出發(fā),愛因斯坦得出了與絕對時空觀中完全不同的結(jié)論:空間和時間與物體的運動狀態(tài)有關(guān)系,通過光速不變原理,愛因斯坦提出了著名的動鐘變緩(運動的觀察者的時鐘將會比靜止的觀察者的時鐘走得慢)與動尺縮短(相對觀察者運動的物體的長度要比其相對觀察者靜止時的長度短)的結(jié)論。由于這個原因,坐在火車?yán)锏挠^察者測出的從A地到B地所用的時間實際上將少于1小時,而他測量的A、B兩地間的距離將比100千米少。之所以如此,正是因為兩個觀察者的運動狀態(tài)不同。同時愛因斯坦根據(jù)閔科夫斯基的提議提出了包含時間和空間的四維函數(shù),將時間作為時空坐標(biāo)的一個維,描述空間的函數(shù)(x,y,z)表示其他的三個維。這樣就把時間和空間聯(lián)系了起來,他們是平等的,都是四維空間的一個維。雖然狹義相對得出了時間空間與運動狀態(tài)有關(guān),從而具有相對性,提出了四維時空的觀點。但他仍然沒有根本的給出時空到底是什么,真正解決這個問題的是廣義相對論。

二、廣義相對論的時空觀

在考慮萬有引力之后,愛因斯坦提出了廣義相對論。在廣義相對論中,時空曲線是彎曲的,而萬有引力就是彎曲的時間和空間,或者說時間和空間本質(zhì)上就是萬有引力。萬有引力是物質(zhì)產(chǎn)生的,因此時間和空間本質(zhì)上是由物質(zhì)產(chǎn)生的。物質(zhì)的質(zhì)量越大,他所產(chǎn)生的時空越彎曲。而所有的物體都在沿著時空曲線做著“直線運動”(由于時空曲線是彎曲的,因此我們看到的是曲線運動)。

由此看出,相對于絕對時空觀相對時空觀準(zhǔn)確的指出了時空的本質(zhì),時空是緊密聯(lián)系的整體,它由物質(zhì)決定反過來又影響物質(zhì)。通過相對時空觀人們對時空觀有了正確的認(rèn)識,推動了人們對現(xiàn)代物理學(xué)的探討。

作者單位:河北省唐山市豐南區(qū)第二中學(xué)